Углеродистая сталь лучше мягкой? Разъяснение различий

Или они одно и то же?

Углеродистая сталь лучше мягкой? Вопрос с подвохом! Мягкая сталь — разновидность углеродистой стали. Элемент углерод присутствует во всей стали. Когда углерод является основным легирующим элементом, сплав считается углеродистой сталью. «Низкоуглеродистая сталь» — другое название мягкой стали. Существуют другие углеродистые стали с разным содержанием углерода. Какая лучше — зависит от применения.

Ежегодно производят >1,5 млрд тонн стали для изделий от швейных игл до балок небоскрёбов. Углеродистые стали — самые распространённые сплавы, ~85% всего производства в США. Углерод 0–2%. Он влияет на микроструктуру, давая легендарную прочность и вязкость. Также содержат небольшие количества марганца, кремния, меди. Мягкая сталь — коммерческий термин для низкоуглеродистой стали, углерод 0,04–0,3%.

Категории углеродистой стали

Углеродистая сталь классифицируется по химическому составу и характеристикам. Мягкая сталь попадает в категорию низкоуглеродистой. Обыкновенная углеродистая сталь (без легирующих добавок) делится на четыре категории:

1. Низкоуглеродистая сталь или мягкая сталь

Углерод 0,04–0,3% — самая частая марка. Мягкая сталь также считается низкоуглеродистой (углерод 0,05–0,25%). Мягкая сталь ковка, высоко формоздатна, применяется для кузовных деталей авто, листов, проволоки. В верхней границе низкого углерода и с марганцем до 1,5% свойства подходят для штамповки, ковки, бесшовных труб, котельных листов.

2. Среднеуглеродистая сталь

Углерод 0,31–0,6%, марганец 0,6–1,65%. Можно термически обрабатывать и закалять для коррекции микроструктуры и свойств. Применение: валы, оси, зубчатые колёса, рельсы, ж/д колёса.

3. Высокоуглеродистая сталь

Углерод 0,6–1%, марганец 0,3–0,9%. Свойства подходят для пружин и высокопрочных проводов. Эти изделия нельзя сварять без детальной программы термообработки. Применение: режущие инструменты, высокопрочные провода, пружины.

4. Сверхвысокоуглеродистые стали

Углерод 1,25–2%, экспериментальные сплавы. Отпуск даёт высокую твёрдость для ножей, осей, перфораторов.

Производство углеродистой стали

Углеродистая и мягкая сталь производят в трёх стадиях:

1. Первичное сталелитьё
2. Вторичное сталелитьё
3. Литьё

Затем следуют различные финишные техники, напрямую влияющие на характеристики готового изделия.

1. Первичное сталелитьё

Сталь делают из 100% лома или смеси лома и первичной стали. Первичная сталь — в доменной печи из руды, кокса (из угля) и извести. Сырьё загружают сверху, печь работает при 3000 °F. Плавя руду и смешивая с горящим коксом, высвобождают углерод в расплав. Примеси вбирает известие в шлак на поверхности, который сбивают. Продукт на этом этапе содержит ~4% углерода и остаточные примеси. Расплавленную первичную сталь переливают в конвертер-кислородную печь (BOF), где уже есть лом. Чистый кислород продувают через расплав для окисления излишнего углерода, получая готовый продукт до 1,5% углерода.

Лом можно переплавлять без первичной стали в электродуговой печи. Мощные дуги плавят металл до 3000 °F. Пока лом плавится, дозагружают новые партии до вместимости. Получив ровную ванну расплава, продувают кислород так же как в BOF. В обоих случаях расплав сливают в ковши или ванны для дальнейшей обработки, шлак с примесями удаляют.

2. Вторичное сталелитьё

Спрос на более качественную сталь с постоянными свойствами стимулировал развитие вторичного сталелитья.

Электродуговая печь

Состав стали меняют в электродуговой печи добавлением/удалением компонентов или манипуляцией температурой.

• Перемешивание: электромагнитные поля индуцируют турбулентные токи в ковше. Легко отделяет неметаллические включения (всплывают), обеспечивает гомогенность.
• Ковшовая печь: ковш работает как вторичная электродная печь, давая точный контроль температуры и дозированную инъекцию легирующих элементов.
• Инъекция в ковш: инертный газ внизу стальной ванны. При нагреве и подъёме газа через расплав достигается эффект перемешивания.
• Дегазация: удаляет водород, кислород, азот, снижает серу. Методы: вакуум, инертный газ, контроль температуры.
• Коррекция состава (CAS-OB): перемешивание аргоном в герметичной ванне. Сноркель не даёт шлаку беспокоиться, водород снижают, оксидные включения всплывают. Кислород через ланс, алюминий через сноркель — точный контроль температуры и состава.

Деоксидирование стали

Критический аспект — удаление кислорода. Наличие кислорода в расплаве при затвердевании реагирует с углеродом, выделяя CO. Контроль деоксидирования меняет характеристики готового продукта и пригодность для применений.

• Кипящие стали: не деоксидированные или частично. Высокий CO при затвердевании — хорошее качество поверхности, но много пузырьков.
• Успокоенные стали: как кипящие, но через минуту форму закрывают («усраивают»), подавляя CO.
• Полууспокоенные: частично деоксидированы перед вливанием, углерод 0,15–0,3%.
• Успокоенные (killed): полностью деоксидированы, CO не образуется вообще. Гомогенная структура, нет пузырьков. Алюминий в ковш или форму как основной деоксидизатор «убивает» CO; но есть применения, где алюминий нежелателен. Альтернативы: ферросплавы марганца и кремния или кремнекальций.

3. Литьё

Традиционное литьё: кран поднимает ковш, расплав течёт в индивидуальные формы на платформах. Инготные формы слегка конические для извлечения после затвердевания. Инготы переносят в прокалочные ямы для перегрева перед горячей прокаткой.

Непрерывные литейные машины позволяют лить расплав в формы, удобные для дальнейшей обработки. Ковши поднимают на платформу, сбрасывают расплав в раздаточный желоб (тундиш), питающий машину. Расплав в водохлаждаемую форму с подвижной дном. Когда кожа затвердевает, дно медленно опускается, впуская новый расплав. Сталь формируется в плиты, блумы, блоки в непрерывной машине. Затвердевший продукт вытягивают валами, выпрямляют и режут в конце. Процесс может продолжаться днями или неделями без остановки.

Финишная обработка углеродистой стали

После производства углеродистая сталь доводят прокатом, термообработкой, поверхностной обработкой или последующей вторичной обработкой.

Прокатка продукции

Затвердевшие слитки прокатовывают в более полезные формы и размеры как при непрерывном литье. Сталь сжимают и тянут вращающимися валами. Валы вращаются быстрее входящей стали, поэтому проталкивают её вперёд и сжимают.

Горячая формовка

Сталь нагревают выше температуры рекристаллизации для разрушения литейной микроструктуры. Даёт более равномерный размер зёрен и равномерное распределение углерода.

Холодная формовка

Ниже температуры рекристаллизации. Увеличивает прочность за счёт упрочнения деформацией до 20%, улучшает финиш и допуски. Из прокатки сталь выходит как полуфабрикаты: блумы, блоки, плиты. Блум — толстый прямоугольный брусок, блок — похожая толщина, но уже ширина, плита — тоньше и шире.

Полуфабрикаты дальше обрабатывают на прокатных станах к промежуточным продуктам для производства и финальной обработки последующими компаниями.

ПРОДУКТЫ ХОЛОДНОЙ ФОРМОВКИ	ПРИМЕНЕНИЕ
Блумы	Конструкционные применения
Рельсы	Ограждения, поручни, кастомные ограждения
Прокатные прутки	Строительство станков, строительство
Листы (толщина > 6 мм)	Тяжёлое машиностроение, котлы, мосты, промышленные сосуды, танки, корабли
Листы (толщина < 6 мм)	Кузова авто, бытовая техника, офисное оборудование, банки для напитков
Круглые/квадратные прутки	Конструкционные рамы, связи, валы, оси

После прокатного стана последующие компании обрабатывают сырьё в готовые изделия. Разные техники: механическая обработка (равномерное удаление металла станками). Сварка стали — тоже обычно, различные методы сварки.

Переработка углеродистой стали

Переработка металлов — история успеха устойчивого развития и минимизации антропогенного воздействия. Сталь — самый перерабатываемый материал планеты, больше всех остальных вместе взятых.

Источники лома: отходы сталеплавильных заводов, вторичные производители, изделия в конце жизненного цикла. Часто переработанной стали не хватает на спрос, поэтому почти всегда комбинируют первичную и переработанную сталь.

Переработка экономична — снижает стоимость готовых изделий. Поэтому сталевая индустрия активно продвигает и создаёт сети переработки, упрощая утилизацию изделий в конце жизни.

Для дополнительной информации о стали или запроса котировки кастомного проекта — свяжитесь с нами.

Связанные статьи:

• Стальная труба: введение
• Маркировка стали
• Полное руководство по нержавеющей стали
• Углеродистая сталь vs нержавеющая сталь
• Горячая vs холодная прокатка стали